太陽(yáng)能發(fā)電供熱設(shè)備采熱裝置支架結(jié)構(gòu)對(duì)太陽(yáng)能利用效率的影響

呂菲

摘要：文章介紹了太陽(yáng)光入射太陽(yáng)能發(fā)電供熱設(shè)備采熱裝置采光面的角度對(duì)太陽(yáng)能利用效率的影響，分析了幾種太陽(yáng)能集熱裝置的支架結(jié)構(gòu)對(duì)采光面的角度的調(diào)節(jié)能力，并著重分析介紹了采用太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的太陽(yáng)能集熱裝置支架結(jié)構(gòu)是提高太陽(yáng)能利用效率的有效途徑之一。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；光照角度；支架結(jié)構(gòu)；利用效率；自動(dòng)跟蹤

中圖分類(lèi)號(hào)：TM615文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8937（2011）22-0110-02

能源一直是人類(lèi)生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著化石能源的逐步消耗以及化石能源的開(kāi)發(fā)和利用所帶來(lái)的環(huán)境污染和生態(tài)破壞問(wèn)題的日趨嚴(yán)重，人們對(duì)生存環(huán)境的重視程度日益提高，開(kāi)發(fā)和利用能夠支撐人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的新能源和可再生能源成為人類(lèi)急切需要解決的問(wèn)題。太陽(yáng)能作為一種能量巨大的可再生清潔能源，因此被專(zhuān)家所關(guān)注。據(jù)估算，太陽(yáng)能傳送到地球上的能源，每40 s鐘就有相當(dāng)于210億桶石油的能量傳送到地球，相當(dāng)于全球一天所消耗的能源。而依靠現(xiàn)有的技術(shù)以及經(jīng)濟(jì)條件，供開(kāi)發(fā)利用的太陽(yáng)能只占理論資源量的很小一部分，因此如何將這很小的一部分太陽(yáng)能高效率的利用，應(yīng)該是太陽(yáng)能利用領(lǐng)域重要的研究方向。

1太陽(yáng)能常見(jiàn)利用方式

目前太陽(yáng)能利用的方式有：太陽(yáng)能光伏發(fā)電，太陽(yáng)能熱利用，太陽(yáng)能動(dòng)力利用，太陽(yáng)能光化學(xué)利用，太陽(yáng)能生物利用等。其中太陽(yáng)能光伏發(fā)電和太陽(yáng)能熱利用是太陽(yáng)能利用中最為常見(jiàn)的兩種方式，采用這兩種利用方式的應(yīng)用裝置在本文中將其稱(chēng)為太陽(yáng)能發(fā)電供熱設(shè)備。

2太陽(yáng)光入射采熱裝置采光面的角度對(duì)利用效率

的影響

太陽(yáng)能發(fā)電供熱設(shè)備都需要一個(gè)采光面，這個(gè)采光面也就是吸收采集熱量的裝置—采熱裝置，如太陽(yáng)能光伏發(fā)電的采光板、太陽(yáng)能電池的受光面、太陽(yáng)能熱利用的平板型集熱器、太陽(yáng)能熱水器平面布置的真空管，他們的共同點(diǎn)就是都可以將其看成是一個(gè)平面，采光平面對(duì)太陽(yáng)光的有效截留將直接影響整個(gè)設(shè)備的太陽(yáng)能利用效率。有關(guān)太陽(yáng)能的概念告訴我們，地球上具體一個(gè)平面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度取決于這個(gè)面即時(shí)的太陽(yáng)高度角。太陽(yáng)高度角愈大，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度愈大。因?yàn)橐皇饩€直射時(shí)照射面積小，單位面積所獲得的太陽(yáng)輻射就大；反之，斜射時(shí)照射面積增大，單位面積上獲得的太陽(yáng)輻射則減?。ㄒ蝗罩?，太陽(yáng)高度角正午大于早晚；夏季大于冬季；低緯地區(qū)大于高緯度地區(qū)）。而同理，對(duì)于具體的一個(gè)采光面來(lái)說(shuō)，為了得到更大的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，不僅要顧及太陽(yáng)高度角還要考慮到太陽(yáng)方位角，否則也會(huì)因?yàn)榉轿唤堑淖兓固?yáng)光線斜射入采光面，增大照射面積而獲得較少的太陽(yáng)輻射。圖1為太陽(yáng)高度角和方位角的簡(jiǎn)單圖示。

因此，由太陽(yáng)高度角和方位角的變化而得出，太陽(yáng)光只有垂直照射采光平面時(shí)采熱裝置才能獲得最大的太陽(yáng)輻射，而且不會(huì)有反射造成的熱損失，熱損失是最小，所以集熱裝置在支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上要盡可能的保證太陽(yáng)光照角度，才能減少熱損失，在吸收輻射光線方面提高太陽(yáng)能利用效率，這將是提高太陽(yáng)能利用效率的有效途徑之一。

3集熱裝置支架結(jié)構(gòu)對(duì)采光面角度的調(diào)節(jié)

因?yàn)樘?yáng)光入射采熱裝置采光面的角度對(duì)太陽(yáng)能利用效率有影響，所以支架結(jié)構(gòu)對(duì)集熱裝置的采光面的角度可調(diào)節(jié)性就尤其重要。常見(jiàn)的支架形式大致可為兩類(lèi)：采光面固定式和采光面角度可調(diào)節(jié)式；采光面角度可調(diào)節(jié)式又分為單軸自動(dòng)跟蹤式調(diào)節(jié)和雙軸自動(dòng)跟蹤式調(diào)節(jié)。

3.1采光面固定式

采光面的傾斜角度在安裝時(shí)已經(jīng)調(diào)節(jié)好，采光面牢固的安裝在固定支架上，支架與地面的連接穩(wěn)固。但在太陽(yáng)高度角方向和方位角方向都不可調(diào)節(jié)，大多時(shí)候都是太陽(yáng)光線傾斜的照射在采光平面上，雖然結(jié)構(gòu)形式是最穩(wěn)定可靠的，但太陽(yáng)能的利用效率相對(duì)很低，常用在家用熱水器的安裝上，當(dāng)然也有立柱式的固定結(jié)構(gòu)。 見(jiàn)圖2、3。

3.2采光面角度可調(diào)節(jié)式

采光面角度可調(diào)節(jié)式的太陽(yáng)能支架，大多采用立柱式支架設(shè)計(jì)，一般都是采光面或跟隨太陽(yáng)的高度角方向或跟隨太陽(yáng)的方位角方向或跟隨二者自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，具體說(shuō)來(lái)就是采用水平單軸跟蹤或傾斜緯度角單軸跟蹤或雙軸跟蹤系統(tǒng)的太陽(yáng)能支架（參見(jiàn)圖4），其中水平單軸跟蹤和傾斜單軸跟蹤只有1個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，雙軸跟蹤具有2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。三種跟蹤系統(tǒng)可以同時(shí)采用兩種跟蹤控制策略，一種為被動(dòng)式，即通過(guò)傳感裝置檢測(cè)太陽(yáng)的位置調(diào)整采光面的朝向；一種為主動(dòng)式，通過(guò)當(dāng)?shù)氐木暥阮A(yù)先計(jì)算好太陽(yáng)在天空中的運(yùn)行軌跡，控制采光板的朝向。根據(jù)天氣情況可以靈活運(yùn)用這兩種策控制略，在光線充足的情況下采用被動(dòng)式在光線不足或多霜雪、多沙塵的環(huán)境下采用主動(dòng)式，這樣就可以使采光面時(shí)刻與太陽(yáng)光線保持垂直，使太陽(yáng)光能垂直入射采光面，獲得更多的太陽(yáng)輻射能，提高太陽(yáng)能的利用效率。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采用帶有太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤裝置的太陽(yáng)能采熱裝置支架，通過(guò)跟蹤系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整采光面角度，使太陽(yáng)光垂直入射采光面是提高太陽(yáng)能利用效率的有效途徑之一。但是在提高利用效率的同時(shí)應(yīng)該考慮到任何類(lèi)型的太陽(yáng)能支架結(jié)構(gòu)重要的特征之一應(yīng)該是耐候性，結(jié)構(gòu)必須牢固可靠，能承受大氣侵蝕，風(fēng)荷載等外部效應(yīng)，如此綜合考慮才能將太陽(yáng)能的高效利用獲得事半功倍的效果。

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